基于变电站自动化IEC61850标准的系统仿真技术的探究

习 伟,陈 波,陈浩敏,林 峻,李 响,王 达

(1.南方电网科学研究院，广州,510080；2.广东电网公司佛山供电局，佛山,528000；3.长园深瑞继保自动化有限公司，深圳,518057)

0 引言

IEC 61850通过采用“抽象”定义的数据项和服务构建架构，使得创建数据项/对象和服务独立于任何底层的协议，抽象的定义使数据对象和服务可以映射至任何协议以满足数据和服务的要求;IEC 61850基于可扩展标记语言（XML）的变电站配置语言（SCL）来对进行基于61850体系的配置，SCL通过指定配置文件的层次使系统的多个层次分别在明确的标准化的XML文件中得以描述；由于IEC 61850标准的特性，其解决了变电站自动化系统产品的互操作性和协议转换问题，采用该标准还可使变电站自动化具有自描述、自诊断和即插即用的特性，极大地方便了系统的集成，降低了变电站自动化系统的工程费用。

但同时由于IEC 61850建模复杂，当前没有实现能够同时模拟和操作61850服务器的仿真测试工具，导致在测试或实验过程中，需要使用大量实体装置搭建较为复杂的实验环境，耗费大量资源和时间；另未来是否可以通过少量的计算机仿真甚至替代变电站的保护测控装置是个值得研究的话题。

在本次系统仿真项目的技术研究中，已实现对于61850服务器的抽象和数据服务操作的抽象，能够完全模拟仿真实际61850设备与61850客户端之间的MMS通信服务，同时由于对于61850服务器模型的抽象，实现了通过一台计算机同时仿真和操作上百台虚拟61850装置的目的。

1 系统实现关键技术

在本次仿真测试系统项目研究中，要实现对于IEC 61850装置的模拟仿真，必须针对61850模型建立和61850 对MMS的目标、功能映射进行研究，以下是对于对相关技术的简要介绍。

1.1 IEC 61850建模方法

传统协议通常会定义在字节如何传输，然而它们并没有从应用的角度指定数据应该如何组织，这种方法要求电力系统工程师手动配置对象并将它们映射至电力系统对象和低级寄存器数据、索引数据、I / O模块等。IEC 61850除了规范的协议功能（定义字节如何传输），IEC 61850对于所有类型和品牌的装置提供了一致的对电力系统设备应该如何有规则的组织数据的综合模型，这样就消除了大部分的乏味的无意义的系统配置的工作，因为这些设备可以自行配置。例如：如果你把一个CT/VT输入到一个IEC 61850继电器,通过检测这个模块,并自动把它赋值给一个浮点计量单位而无需用户交互。

IEC 61850设备模型开始于一个物理设备。一个物理设备是一个连接至网络的设备且通过网络地址明确定义。对于每个物理设备，可能有一个或多个逻辑设备。

每个逻辑设备包含一个或多个逻辑节点。一个逻辑节点是一个命名的分组的数据和相关的服务,是逻辑上相关的一些电力系统功能。每个逻辑节点有一个LN实例ID作为后缀的逻辑节点名称。

每个逻辑节点包含一个或多个元素的数据。每个数据元素都有一个唯一的名称，这些名称由标准以及与电力系统相关的功能决定。每个元素的逻辑节点中的数据符合规范的公共数据类(CDC)，每个CDC描述了逻辑节点中的数据的类型和结构，每个CDC有一个定义的名称和一个CDC属性集合，属性根据功能约束FC进行分类。

数据模型层次结构如图1所示：

图1 数据抽象模型层次

IEC 61850采用抽象模型的方式定义信息和信息交换，将应用功能分解为与之交换信息最小实体，合理分配这些实体到专用设备（IED）。这些实体称为逻辑节点（例如上图中断路器类的虚拟表示，实例名为XCBR1，代表某个特定的断路器）,IEC 61850从视窗的概念应用观点出发建模和定义逻辑节点，几个逻辑节点构建逻辑设备（例如上图中的Relay1）。逻辑节点的语义由数据和数据属性表示，每个数据由若干数据属性组成，逻辑节点XCBR1中定义断路器的就地/远方状态为数据（名为“Los”），数据属性Loc.stlVal代表断路器远方/就地状态值，功能约束FC=ST，故该数据属性为状态量，取值0或1。

1.2 IEC 61850映射方法

IEC 61850定义的一个使用抽象数据和对象模型的标准化方法描述电力系统设备，使所有的IED所展示的数据使用相同的结构直接关联至它们的电力系统功能。IEC 61850的抽象通信服务接口（ACSI）定义了一组服务和对应服务的回应使所有的IED在网络通信行为上表现出相同的方式，然而抽象模型在实现这种级别的互操作性上是至关重要的，这些模型需要能在电力行业中普遍存在的计算机环境中的协议中进行可行的操作。IEC 61850-8-1中将抽象数据和服务映射至ISO9506的MMS协议，MMS是当前唯一可以轻松实现支持复杂命名和服务的IEC61850协议的公共（ISO 标准）的协议。虽然理论上可以讲61850协议映射至任何协议，但试图将IEC61850协议映射至一个只能提供通过寄存器或索引访问简单变量的读/写/报告服务的协议是非常复杂和繁琐的，而MMS协议支持复杂的命名对象和大量灵活的服务能够非常直接地与IEC61850协议进行映射。

IEC 61850数据对象和服务与MMS的映射是基于一种特定服务的映射关系，这些服务是作为实现抽象通信服务接口（ACSI）各种服务的方法。例如：ACSI的控制模型映射到MMS的读写服务，然后，IEC 61850的各种对象模型被映射到特定的MMS对象；又如：IEC 61850 逻辑设备（LD）对象映射至一个MMS域。

通过这种方式将IEC 61850信息模型和各个控制块映射到制造报文规范（MMS），IEC 61850的各类服务映射到MMS类的对应服务，携带信息的报文映射到MMS报文（GOOSE,GSSE，SV），报告映射至MMS报告。使61850协议能够方便地

表2中举例说明了IEC 61850对象的映射关系，表3中则表示了IEC 61850 部分服务映射。

表1 IEC 61850与MMS对象映射关系

表2 IEC 61850部分服务映射

1.3 SCL配置语言解析

IEC 61850-6-1指定基于可扩展标记语言（xml）的变电站配置语言（SCL）来对基于61850体系的配置。SCL通过指定配置文件的层次使系统的多个层次分别在明确的标准化的XML文件中得以描述。

SCL语言可满足各个用户的需求，用户可以决定使用CID文件在现有系统设计流程中进行IED配置。SCL可用于重组整个电力系统设计过程来消除手动配置，消除手动输入错误，减少系统能力和需求之间的误解，提高终端系统的互操作性，大大提高生产力和电力系统工程师的效率。

在本次项目中，CID/ICD文件作为模型建立的输入，通过对于CID/ICD的解析进行虚拟61850服务器的建模。

2 系统实现方案

使用虚拟模型

除了通过协议定义数据如何传输以外，逻辑设备、逻辑节点、抽象通信服务接口、公共数据类的虚拟模型的使用允许定义数据、服务以及设备行为。

在本次项目研究中，通过利用虚拟模型结构，仿真系统可以通过将装置实例抽象化来实现数据源的抽象和61850服务器的功能抽象

对所有数据命名IEC 61850数据的每个元素通过描述性字符串来命名以描述数据。

在本次研究中，由于IEC 61850每个数据元素通过描述性字符串来命名，保证了数据描述的准确性和唯一性，保证了仿真过程中虚拟装置数据映射的正确相关。

所有对象名称标准化定义

在IEC 61850设备中数据的名称不是由设备供应商或用户配置。所有的名称都在标准中定义且在电力系统信息中提供。通过这样标准化定义对象名称，极大程度上降低了不同厂家或人为配置上造成的差异性，提高了装置了通用性和互操作性。

2.1 IEC 61850的特性与系统实现

装置自描述

客户端应用程序通过与IEC 61850设备通讯可以从设备下载设备支持的所有数据描述而无需任何对于数据对象或名字的手动配置。

标准配置语言

SCL配置语言通过使用XML语言能使装置的配置和在电力系统中的角色得到精确定义。

在本项目研究中，虚拟61850装置也是通过SCL文件中描述进行定义和建模，确保通信行为与实际装置的一致性。

2.2 61850服务器消息响应模式

Sisco 61850服务器的运行流程结构如下图所示：

图2 Sisco 61850服务器运行流程

正常运行情况下，装置导入ICD/CID文件进行结构后在装置内部根据SCL文件内容进行抽象建模，61850服务器运行后开始等待接收61850消息，并根据获得的61850消息触发对应功能服务进行反馈。运行过程中，消息从来源分为两类，一类来源于服务器自身，即服务器的总召、完整性周期等触发服务器的主动上送；另一类来源于客户端，客户端向服务器发送读取命令，召唤相应的数据。

对于遥信数据的处理，遥信发生变位，服务端会将遥信变位的SOE以报告形式主动上送；如果停止主动上送，服务端总召唤或客户端发送读取命令时，服务器会比较当前值与上次发送值是否有变化，如果有变化，触发数据上送；

对于定值数据的处理，则只有在客户端发送读取命令，服务器接受消息后，响应读取命令触发对应的服务上送装置定值。

2.3 61850模型的抽象在仿真测试系统的应用

在变电站驾驶舱仿真测试系统中，系统主要特点是通过一台PC机模拟几百台虚拟61850保护测控装置的通信行为，实现四遥数据、保护定值、事件信息的上送；

在这个系统中主要涉及3个部分的数据抽象模型：

1.6 18 50模型建模的抽象，即61850服务器；

2.虚拟装置数据源的抽象；

3.虚拟装置内部消息处理服务的抽象；

仿真测试系统底层通信结构如下图所示：

图3 仿真测试系统通信结构

其中数据源和服务器的61850建模源自相同的SCL文件，具有相同的模型结构，在61850服务器和61850客户端发生交互的过程中，需要查询上送数据时，通过触发虚拟装置内部消息服务向虚拟数据源进行调取，另外用户通过仿真测试系统的界面手动修改虚拟数据源的数据，同时用户对于数据源的操作也会触发61850服务器对应的行为。

因为通信模型的建立是基于IEC 61850，所以在模型的通信上继承了IEC 61850的特点和优势，通过ICD文件中对象的DA数据属性是实现数据的查找和交互，确保了交互过程中的正确性。

3 仿真测试系统应用实践

图4 仿真测试系统应用架构

在本次仿真测试项目应用中，系统应用架构如图4所示，通过一台计算机同时模拟多台虚拟61850服务器，各个虚拟服务器以线程的方式分离，通过仿真测试系统控制端导入ICD/CID文件进行建模，输入对应IP信息对虚拟61850服务器进行初始化后，在对61850客户端的MMS信息交互功能上，虚拟61850服务器具备与实际装置具备一致的特性。通过仿真测试系统控制端操作虚拟61850服务器的遥测、遥信、定值等参数，对于61850客户端接收到得信息，与更改实际装置的遥测、遥信输入，装置定值完全一致；通过仿真测试系统控制虚拟保护装置也在61850客户端可以产生保护动作或告警信息提示。通过61850客户端对61850服务器进行信息读取，也可以得到和仿真测试系统控制的遥测、遥信、定值的设置值，且虚拟61850服务器可以模拟实际装置的遥控功能，通过客户端下发遥控命令，虚拟服务器可以按用户选择执行遥控命令并自动更改被控遥信点。

本次仿真测试项目成功实践了基于61850模型通过计算机对大量61850服务器的模拟和仿真。

4 结论

通过本次项目实践证明了通过接口和模型抽象可以实现不同厂家ICD和装置通信功能的全兼容的可能性，加快了不同厂家设备的通用和互操作的实现。

另本次项目的研究已实现计算机对保护测控装置对上MMS通信的模拟，假设能够实现装置对下通信的模拟，即能够接受解析MU报文且通过软件的方式满足相关要求，则可能在未来可实现通过计算机完全模拟或取代保护测控装置，达到仅通过少量计算机替代全站保护测控装置的目标。

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